2.19. ГИДРОДИНАМИКА ПСЕВДООЖИЖЕННЫХ
ЗЕРНИСТЫХ СЛОЕВ
Рассмотренные нами формулы для определения гидравлических сопротивлений при движении жидкостей и газов через слои твердых частиц справедливы только при неподвижной насыпной фазе. Это наблюдается, когда жидкость или газ в аппарате перемещаются с любой скоростью сверху вниз, а также с малой скоростью снизу вверх. Движение снизу вверх с высокой скоростью нарушает неподвижность насыпного слоя. На рис. 2.22 показаны три возможных состояния слоя твердых частиц в зависимости от скорости восходящего потока.
Рисунок 2.22. Движение газа (жидкости) через слой твердых частиц:
а – неподвижный слой; б – кипящий (псевдоожиженный) слой; в – унос твердых частиц потоком
При невысоких скоростях слой неподвижен и его характеристики (порозность, удельная поверхность) не изменяются с увеличением скорости. Сила тяжести слоя больше силы сопротивления. Начиная с некоторой критической скорости, сила гидравлического сопротивления становиться равной силе тяжести слоя. Эта критическая скорость называется скоростью начала псевдоожижение ω0,пс. Выше нее твердые частицы начинают интенсивное движение в потоке в различных направлениях, и весь слой напоминает кипящую жидкость с ясно выраженной верхней границей раздела с потоком (рисунок 2.22, б), прошедшим через слой. Такое состояние слоя называется псевдоожиженным состоянием. Дальнейшее повышение скорости ведет к увеличению высоты слоя и росту его порозности, при этом  остается постоянной величиной вплоть до некоторой скорости ω0,св, называемой скоростью свободного витания. Это максимальная скорость, при которой силы, действующие на частицы, скомпенсированы и отсутствует взаимодействие между частицами. Они свободно двигаются (витают), и порозность слоя близка к единице. Если скорость потока превысит ω0,св, то начинается массовый унос твердых частиц (рисунок 2.22, в). Такое явление называется пневмотранспортом. Таким образом, условия витания идентичны условиям свободного равномерного осаждения частиц в неподвижной среде, поэтому скорость ωсв, можно определить как скорость осаждения ωос.
Аппарат с твердым насыпным слоем работает в режиме псевдоожижения, когда скорость движения жидкости или газа через него ω0 больше ω0,пс ,но меньше ω0,св, и давление оказываемое весом твердой фазы равно гидравлическому сопротивлению.
Величина Кω=ω0/ ω0,пс, называется числом псевдоожижения, которое характеризует интенсивность перемешивания частиц и состояние псевдоожиженного слоя. Обычно Кω= 2 соответствует интенсивному перемешиванию, но для каждого конкретного случая определяется опытным путем и может изменяться в широких пределах. Характеристики кипящих слоев не одинаковы при их псевдоожижении капельными жидкостями и газами.
При псевдоожижении твердых слоев капельными жидкостями оно является однородным. Увеличение скорости жидкости сверх ω0,пс приводит к возрастанию высоты слоя без заметных колебаний его верхней границы. Расстояние между частицами увеличивается постепенно, а жидкость движется в свободном объеме между ними сплошным потоком.
Псевдоожижение в системе газ – твердая фаза является неоднородным. Часть газа движется не сплошным потоком, а в виде отдельных пузырей, которые разрушаются, достигнув верхней границы слоя, и вызывают ее колебания. Пока значения Кω невелики, неоднородность слоя играет положительную роль, интенсифицируя перемешивание твердых частиц. С увеличением скорости возрастает неоднородность слоя, пузыри газа укрупняются, и начинается выбрасывание твердых частиц на поверхность слоя. Наконец, размер пузырей достигает диаметра аппарата. В слое создаются газовые «пробки», что ведет к большому выбросу твердых частиц. Такой режим называется поршневым псевдоожижением. Он возникает тем раньше, чем больше размеры частиц и меньше диаметр аппарата. Поршневое псевдоожижение, ухудшает равномерность контакта фаз. В ряде случаев при псевдоожижении наблюдается каналообразование, при котором происходит проскок («байпасирование») значительного количества газа или жидкости через несколько каналов слоя, что наблюдается для очень мелких и слипающихся твердых частиц. Предельным случаем каналообразования является фонтанирование, когда газ или жидкость прорываются сквозь слой по одному каналу вблизи оси аппарата. Считается, что в пределах скоростей от ω0,пс до ω0,св происходит псевдоожижение в твердом слое, а при ω0 > ω0,св происходит пневмотранспорт частиц в разбавленной фазе кипящего слоя.
Для нахождения в режиме псевдоожижения воспользуемся выражением (2.279), подставив в него значение  из (2.264) и число Рейнольдса из (2.277), тогда после небольших преобразований можно записать
|
(2.282)
|
Разность между силой тяжести слоя и Архимедовой силой отнесенная к единице площади сечения аппарата (1м2) равна
|
(2.283)
|
Приравниваем выражения (2.282) и (2.283), разделив обе части равенства на  и умножив наd3  2. После такого преобразования выражение (2.283) представляет собой критерий Архимеда и можно записать
|
(2.284)
|
где  – модифицированный критерий Рейнольдса, соответствующий началу псевдоожижения при скорости ω0,пс.
Для определения скорости начала псевдоожижения используют приближенное решение квадратного уравнение (2.284)
|
(2.285)
|
Критерий Ar рассчитывают по формуле (2.255), а по известному из выражения (2.285) значению  определяют  .
Если заданная или принятая фиктивная скорость потока оказывается больше скорости начала псевдоожижения, то приходится рассчитывать скорость свободного витания  . Для этого сначала рассчитывают критерий Рейнольдса  , соответствующий свободному витанию согласно эмпирической формуле
|
(2.286)
|
Затем определяют скорость свободного витания из выражения
|
(2.287)
|
Если заданная или принятая скорость потока меньше, чем , то работа аппарата считается происходящей в режиме псевдоожижения. Гидравлическое сопротивление вычисляется из выражения (2.283) с учетом, что оно равно соотношению (2.282). Порозность псевдоожиженного слоя определяют по формуле
|
(2.288)
|
|
| |
Скачать 2.3 Mb.